CNCフライス加工によるカスタムシムの製造

金属シムとは、物体間のわずかな隙間を埋めるためによく使用される、薄くて平らな金属片のことです。その他、特注シムの製造が役立つ用途としては、支持材としての役割、表面の水平確保、あるいは機械の公差調整などが挙げられます。.

金属シムの製造には、チタン、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、真鍮などが使用されます。金属シムがさまざまな業界で採用されている理由としては、以下のようなものが挙げられます。

• 高い強度と耐久性： プラスチックに比べて耐熱性や耐ストレス性に優れているため、過酷な使用条件にも適しています。.
• 長期的にはコストを削減できます： 金属製のシムは振動や摩耗を吸収し、それによって複雑な機械を損傷から保護します。これにより、修理費用とダウンタイムを削減できます。.
• 非常に汎用性が高い： これらは、自動車産業において、エンジン部品の位置決め、機械の正確な位置合わせ、梁を水平にするための構造物、および凹凸のある表面に機械を取り付けるための工業用固定などに広く使用されています。.

金属シムの製造において重要な考慮事項としては、用途や環境条件に応じた適切な材料の選定、正確な位置合わせを確保するための精密な公差、および荷重要件などが挙げられます。その他、製造の指針となる要素としては、厚さ、形状、平坦度などがあります。.

クライアント要件

ある顧客が、カスタム製の少量生産用シムのCNCフライス加工サービスを依頼するため、ファーストモールドの施設を訪れました。この製品の製造に、顧客が希望した素材はチタンでした。 製造されるシムには、標準的な光沢のある外観と、±0.0254mmという極めて厳しい公差が求められていました。顧客は、平坦度および厚さの公差について厳格な基準を強調していました。.

“「これは、特に公差が厳しく、素材の特性も考慮すると、小さな課題と言えるでしょう」と、ファースト・モールドのゼネラルマネージャー、ジェームズ・リー氏は述べた。「しかし、当社としては常に、お客様のニーズを最優先にすることに注力してきました。」”

課題と解決策

一見すると比較的シンプルな製品に見えましたが、選定された素材と特注のチタン製シム――少量生産向けのCNCフライス加工――には、特有の課題がありました。チタンは高価なため、たった1つの部品でも廃棄すれば、多大な損失につながります。.

薄いチタン合金部品のCNC加工は、特に困難です。チタン合金は切削が難しく、部品が薄ければ薄いほど変形しやすいため、同業他社の多くは通常、このような注文を受けようとしません。また、少量生産では採算が取れません。.

小ロットの特注シムの製造

多くのサプライヤーが少量のシム製造を即座に断る理由は、採算が合わないためです。チタンをCNCフライス加工して特注のシムを製造する場合、機械のセットアップ、プログラミング、工具の選定、検査などに多額の初期固定費がかかります。この初期固定費を少数の部品で償却しなければならないため、単価が高くなってしまいます。 サプライヤーが少量の特注シムの生産を断るその他の理由としては、以下のようなものがあります：

• 資材調達における規模の経済の欠如： 少量生産のシムを製造する場合、メーカーは大量購入による割引の恩恵を受けられないため、原材料コストが高くなってしまいます。.
• 労働投入量の増加： 少量生産では、手作業による介入や個別の調整、熟練したオペレーターの作業時間が増えることが多く、その結果、生産コスト全体が上昇します。.
• 厳格な品質管理要件： 自動化プロセスの恩恵を受けやすい大規模な生産とは異なり、小規模な生産では、厳格で時間のかかる手作業による検査が必要となる。.

First Moldは、原材料サプライヤーと強固な関係を築いているほか、CNCフライス加工のための高度なハードウェアおよびソフトウェアの能力も活用しています。これらの要素が相まって、他社では引き受けを躊躇するような少量のチタン製シムの製造が可能となっています。.

薄肉チタン部品の変形

すべてのサプライヤーが、チタンを用いたカスタムシムの製造に熟練しているわけではありません。これは、この材料の弾性係数、すなわち弾力性が低いこと（鋼の約200 GPaに対し、約110 GPa）によるものです。 また、熱伝導率が低く（鋼の約1/7）、化学反応性も高いという特徴があります。これらの特性により、加工中に著しいたわみ、残留応力の不均衡、あるいは熱による歪みが生じる可能性があります。.

例えば、機械加工の際、切削刃で発生した熱は切りくずによって排出されないため、1000°Cを超えるような局所的な高温が生じることがあります。 この局所的な熱により、薄く脆いチタンは切削中に不均一に膨張します。これが冷却されると、反りや著しい歪みが生じる可能性があります。チタンの加工において変形を引き起こすその他の要因としては、以下のようなものがあります：

• クランプによる変形： クランプの力が不均一だったり、放射状に偏っていたり、あるいは過度に締め付けたりすると、シムに予変形が生じる可能性があります。加工後にクランプを解除すると、シムは反りや反発を起こします。.
• 「スプリングバック」効果による変形： 金属シムの製造において、工作機械が通過するたびに、薄いシムが変形し、元の位置に戻ります。これにより、寸法誤差が生じる可能性があります。.
• ワークハーデニング： これは、30%によって表面層が硬化すると発生します。こうなると、切削力が増大し、その結果、内部応力が生じます。.

First Moldには、長年にわたりチタン加工に携わってきたエンジニアチームが在籍しています。彼らは協力して、CNCフライス加工を用いた特注シムの製造における課題のいくつかを克服するための対策案を策定しました。First Moldが顧客の要件を満たすために採用した対策には、以下のようなものがあります：

• ソフトジョークランプの使用方法： これにより、圧力が均等に分散され、過度な圧力集中を防ぐことができます。.
• 高圧クーラントの統合： これにより、切削面周辺の熱を制御できるほか、切りくずの排出もスムーズになります。.
• 鋭利な切削工具の使用： 切削工具が鋭利であればあるほど、切削力は小さくなります。これにより、発熱やシムにかかる圧力が軽減されます。.
• ストレス解消： チームは、仕上げ加工の前にシムを焼鈍し、内部応力を除去しました。この措置により、厳格な平面度および厚さの公差が確保されました。.

プロトタイプ向けのオーダーメイドソリューションと迅速な納品

中国のサプライヤーの多くは、カスタム製のチタン製シム（小ロットのCNCフライス加工）の受注を断りがちですが、ファーストモールドでは、高度な技術と長年にわたり築き上げてきたパートナーシップにより、小ロットのプロジェクトでも短納期での対応が可能です。.

例えば、このプロジェクトでは、メーカー側からプロトタイプの納期を4週間以内に設定してほしいとの要望がありました。プロジェクトに必要なチタンを調達するだけでも、利用可能な時間の大部分を費やしてしまっていたでしょう。First Moldおよび当社のパートナー各社の在庫には、さまざまな原材料が揃っています。こうした原材料がすぐに利用できたおかげで、チームは特注のシムプロトタイプの製造を迅速に進めることができました。.

材料調達にかかる時間を削減できた分、その時間をプロトタイプのCAD設計の完成度を高めることに充てました。また、First Mold社は高度な5軸CNC加工機を採用し、セットアップ時間を最大40%短縮するとともに、精度も向上させました。 プロトタイプは、座標測定機（CMM）を用いて寸法精度、平面度、厚みについて検査され、顧客の設計図の仕様を満たしていることが確認されました。.

ハイエンド産業向け金属シムの製造

このクライアントは、ハイエンド製品のメーカーでした。航空宇宙、医療機器、高級スポーツ用品、精密機械といったハイエンド産業向けに特注のシムを製造する上での課題は、欠陥を排除するために、材料の品質、精度、製造技術に極めて細心の注意を払わなければならないという点にあります。.

例えば、エッジのバリは、位置ずれの原因となったり、高摩擦領域を生じさせたりする可能性があるため、除去する必要があります。ハイエンドのカスタムシム製造において重要な考慮事項には、以下のようなものがあります：

• 均一な厚さ： シムは、深刻な機械の故障を防ぐため、極めて厳しい厚さの公差を満たさなければなりません。応力集中や荷重の偏りを防ぐため、表面全体にわたって厚さが均一でなければなりません。.
• 表面仕上げ： 摩耗や摩擦を最小限に抑えるためには、表面を滑らかに仕上げる必要があります。このプロジェクトは少量生産であったため、First Mold社はラッピング加工を用いて、所望の表面平滑度と平坦度を実現しました。.

ハイエンド用途向けのCNCフライス加工後、First Mold社は汚染を防ぐため、シムを洗浄・梱包します。その理由は、航空宇宙産業や医療業界では、微細な粒子が故障の原因となり得るためです。.

First Moldのソリューションによってクライアントが得たもの

顧客は、予定より早く特注シムの試作品を受け取った際、喜びを隠せませんでした。検査の結果、寸法公差、平坦度、厚さ、表面仕上げがすべて設計図通りに正確であることを確認しました。.

“「この少量生産のシム製造プロジェクトを引き受けてくださったファースト・モールド社には、心から感謝しています」と、クライアントは語った。「実際、私たちが連絡を取った十数社のサプライヤーのうち、このプロジェクトを引き受けてくれたのは同社が初めてでした。本当にほっとしました。」”

First Moldは、単に数個の試作品をクライアントに発送しただけではありません。必要な数の特注シムを正確に納品しました。最先端の技術と、チタン加工の専門知識を持つ専任のエンジニアチームを駆使することで、このプロジェクトはクライアントの予算内で完了しました。.

よくあるご質問